Отчет о проверке на заимствования №1

УДК

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСЫ С ДАТЧИКОМ ТЕМПЕРАТУРЫ И

ВЛАЖНОСТИ НА БАЗЕ «ARDUINO UNO»

Данилов А. Я.

студент 3 курса направления подготовки «Компьютерная безопасность»

Институт искусственного интеллекта

РТУ МИРЭА

Журавлёва Ю. А.

к.т.н., доцент кафедры электроники

Институт перспективных технологий и индустриального программирования

РТУ МИРЭА

Микаева С. А.

д.т.н., зав. кафедрой электроники

Институт перспективных технологий и индустриального программирования

РТУ МИРЭА

Аннотация: работа посвящена разработке электронных часов с датчиком

температуры и влажности с выводом информации на жидкокристаллический

дисплей с возможностью автономного изменения даты и времени. Основой

электронного устройства является «Arduino UNO», плата микроконтроллера

на базе «ATmega328». Для измерения времени в работе использовался модуль

часов реального времени «DS1302», а для измерения температуры и

влажности - датчик «DHT11». Кроме того, электронное устройство имеет три

кнопки для настройки даты и времени. Для разработки программного

обеспечения для электронного модуля «Arduino UNO» в работе использована

стандартная программная среда разработки «Arduino IDE», содержащая часть

необходимых библиотек.

Ключевые слова: электронное устройство, микроконтроллер, электронный

модуль, Модуль часов реального времени, жидкокристаллический дисплей,

датчик температуры и влажности, программирование микроконтроллеров.

ELECTRONIC CLOCK WITH TEMPERATURE AND HUMIDITY

SENSOR BASED ON "ARDUINO UNO"

Danilov A. Y.

3rd year student of the Computer Security training course at the Institute of

Artificial Intelligence of RTU MIREA

Zhuravleva Yu. A.

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of

Electronics, Institute of Advanced Technologies and Industrial Programming of

RTU MIREA⁶⁹

Mikaeva S. A.

Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of Electronics, Institute of

Advanced Technologies and Industrial Programming of RTU MIREA⁶⁹

Annotation: the work is devoted to the development²⁷ of²⁷ an electronic clock with a

temperature and humidity sensor with information output to a liquid crystal display

with the ability to change the date and time independently. The basis of the

electronic device is “Arduino UNO”, a microcontroller board based on

“ATmega328”. The real-time clock module “DS1302” was used to measure time in

operation, and the sensor “DHT11” was used to measure temperature and humidity.

In addition, the electronic device has three buttons for setting the date and time. To

develop software for the electronic module “Arduino UNO”, the standard software

development environment “Arduino IDE”, containing part of the necessary

libraries, was used in the work.

Keywords: electronic device, microcontroller, electronic module, real-time

module, liquid crystal display, temperature and humidity sensor, programming of

microcontrollers.

Цель работы — создать электронные часы с возможностью

продолжения счёта времени после отключения питания и с выводом на

жидкокристаллический дисплей времени, даты, температуры и влажности

для использования в комнатных условиях.

Для сборки данного электронного устройства потребуются следующие

элементы:

1. Плата «Arduino UNO»;

2. Дисплей «LSD-1602» или «LSD-1602A»;

3. Модуль часов реального времени «DS1302»;

4. Датчик⁵⁵ температуры и влажности «DHT11»;

5. Потенциометр номиналом 10кОм;

6. 3 кнопки;

7. 3 резистора номиналом 10кОм;

8. Макетная плата;

9. Провода.

Перед началом сборки следует ознакомиться с основными элементами

электронного устройства.

«Arduino UNO» - это плата микроконтроллера на базе «ATmega328».

Плата имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться

как выходы широтно-импульсной модуляции), 6 аналоговых входов,

кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB type B, разъем питания, разъемы

ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу

к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи

адаптера AC/DC или⁴ батареи.¹⁸

Таблица 1: Характеристики "Arduino UNO"

Микроконтроллер ATmega328

Рабочее напряжение 5 В

Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12 В

Входное напряжение (предельное) 6-20 В

Постоянный ток через вход/выход 40 мА

Постоянный ток для вывода 3.3 В 50 мА

Флеш-память ² 32 Кб (ATmega328) из которых 0.5 Кб

используются для загрузчика

ОЗУ 2 Кб (ATmega328)

EEPROM 1 Кб (ATmega328)

Тактовая частота 16 МГц

Габариты 69×53 мм

Для

работ

ы с

моду

лями

испо

льзу

ются цифровые входы/выходы (пины) на плате «Arduino UNO». Каждый пин

может быть настроен как вход или выход, используя функции pinMode,

digitalWrite и digitalRead, находящиеся в стандартной библиотеке для работы

с микроконтроллерами «Arduino». Пины работают при напряжении 5 В.

Рисунок 1: "Arduino UNO"¹⁰

Каждый выход имеет нагрузочный резистор (по умолчанию отключен) 20-50

кОм и может пропускать до 40 мА⁸ .

Проверяя значение напряжение на цифровом входе (0 или 5 В), можно

читать данные, полученные с подключенного к этому входу модуля, а подавая

напряжение на цифровой выход, можно взаимодействовать с подключенным

к этому выходу модулем.

Дисплей «LCD-1602A» ⁶⁴ способен отображать одновременно до 32

символов (16 столбцов и 2 строки). Подключение к плате осуществляется по

синхронному 8-битному параллельному интерфейсу.

Таблица 2: Характеристики дисплея "LCD-1602A"

Характеристика Значение

Тип выводимой информации символьный

Возможность загрузки собственных

символов

есть

Формат выводимой информации 16×2 символов

Технология дисплея STN

Тип подсветки LED

Цвет подсветки синий

Цвет символов белый

Контроллер HD44780

Интерфейс синхронный, 8-битный,

параллельный

Напряжение питания 5 В

Рабочая температура От -20 до +70 °С

Габариты 80×36 мм¹

Таблица 3: Описание выходов дисплея "LCD¹ -1602A"

No

вывод

а

Обозначен

ие

Назначение:

16 K (LED-) Катод (минус) LED (светодиодной) подсветки

15 A (LED+) Анод (плюс) LED (светодиодной) подсветки¹⁵

7-14 D7...D0 Шина данных, состоящая из 8 линий

6 E Сигнал разрешения (Enable)

5 RW¹⁵

Выбор направления (Read / Write) передачи данных:

«1» - чтение из дисплея / «0» - запись в дисплей¹⁵

4 RS

Выбор регистра (Register Selection) получателя

информации:

«1» - регистр данных / «0» - регистр инструкций

3 V0 (VEE)

Установка контрастности дисплея¹⁵ : от 0 до +5 В

постоянного тока

Рисунок 2: "LCD-1602A"

2

VDD

(VCC)

Питание логики дисплея: +5 В постоянного тока

1 VSS (GND¹⁵ ) Общий вывод питания (земля¹⁵ )

Модуль часов реального времени «DS1302» представляет собой

одноименную микросхему на небольшой плате с необходимой обвязкой,

позволяющий подключить батарейку на 3-5 В. Микросхема содержит часы

реального времени, календарь, 31 байт статической RAM, подключается к

микроконтроллеру по простому последовательному интерфейсу. Часы

реального времени и календарь содержат информацию о секундах, минутах,

часах, дне, неделе, месяце, годе. Автоматически вычисляют число дней в

месяце, в том числе¹⁷ в високосный год.

Таблица 4: Характеристики модуля часов реального времени "DS1302"

Характеристика Значение

Рабочее напряжение 2 - 5,5 В

Рабочий ток При 2 В меньше 300 нА

Потребляемая мощность 1 мВт

Максимальный год в календаре 2100

ОЗУ 31 Байт

Рабочая температура -40 до +85¹⁷ °C

Габариты 43×23 мм

Таблица 5: Описание выходов модуля часов реального времени «DS1302»

No

вывод

а

Обозначен

ие

Назначение:

1 VCC 5 или 3.3 В

2 GND Общий вывод питания (земля)

3 CLK Вход тактовой частоты последовательных данных

4 DAT Ввод/вывод последовательных данных

5 RST Сброс

Датчик «DHT11» - это цифровой датчик влажности и температуры,

состоящий из термистора и емкостного датчика влажности. Также датчик

содержит в себе аналого-цифровой преобразователь для преобразования

аналоговых значений влажности и температуры. Данный датчик не обладает

высокой точностью⁵⁶ , но этот недостаток закрывает его низкая стоимость и

простота использования.

Рисунок 3: "RTC DS1302"

Таблица 6: Характеристики модуля "DHT11"

Характеристика Значение

Рабочее напряжение 3,5 - 5,5 В

Рабочий ток 0,3 мА

Измерение влажности От 20 до 90 % с погрешностью 5%

Измерение температуры От 0 до 50 °C с погрешностью⁵⁵ 2 °C

Частота опроса 1 Гц

Таблица 7: Описание выходов модуля «DHT11»

No

вывод

а

Обозначен

ие

Назначение:

1 VCC 3 - 5 В

2 DATA Вывод данных

3 GND Общий вывод питания (земля)

Потенциометром называют реостат, включенный как делитель

напряжения. Центральный вывод является контактом с регулируемой точкой,

а два оставшихся - выводами сопротивления. Принцип работы устройства

заключается в том, что оперируя регулируемой точкой, можно влиять на

напряжение между ней и одним из выводов⁵⁹ . Потенциометр нужен в

электронном устройстве для того, чтобы на выходе V0

Рисунок 4: "DHT11"

жидкокристаллического дисплея менять напряжение, тем самым меняя

контрастность дисплея.

Кнопка представляет собой рычаг, соединяющий два проводника при

нажатии. В электронном устройстве кнопка нужна, чтобы пользователь смог

изменять настройки даты. Этот механизм будет реализован путём чтения с

цифрового входа нулевого напряжения, который будет подаваться на вход при

нажатии кнопки. Стоит также заметить, что у такой реализации есть

недостаток — если кнопка нажата, то на входе будет нулевое напряжение, а

если нет, то случайное значение. Поэтому к проводнику, соединяющий

цифровой вход и кнопку следует подать ненулевое напряжение. Такой

механизм называется подтяжкой (pull) пина.

Рисунок 5: Потенциометр

Рисунок 6: Кнопка

Пользуясь всей полученной выше информацией, приступим к сборке

электронного устройства.

Для упрощения работы с модулями установим в «Arduino IDE»

следующие библиотеки:

https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/dhtlib/

https://github.com/tremaru/iarduino_RTC

Принцип работы электронных часов заключается в следующем:

каждую секунду происходит обращение к модулям «DHT11» и «RTC

DS1302», и полученные данные выводятся на жидкокристаллический экран.

Рисунок 7: Схема сборки электронных часов с датчиком температуры и влажности

При этом в каждый момент времени проверяется нажатие одной из трех

кнопок. Кнопка «Вверх» отвечает за увеличение позиции на единицу, а

кнопка «Вниз» - за уменьшение на единицу. Кнопка «Следующая позиция»

позволяет изменить позицию на следующую в порядке слева-направо и

сверху-вниз (день, месяц, год, час, минута и секунда), при этом позиции

закольцованы, то есть после последней идет первая.

Программная реализация работы электронных часов:

#include <dht.h>

#include <iarduino_RTC.h>

#include <LiquidCrystal⁵⁵ .h>

// for DHT

#define pinDATA 8

// for lcd

#define pinRS 13

#define pinEN 12

#define pinD4 4

#define pinD5 5

#define pinD6 6

#define pinD7 7

// for RTC

#define pinRST 9

#define pinCLK 10

#define pinDAT 11

// for buttons

#define pinUP 0

#define pinDOWN 2

#define pinNEXT 3

#define UP 1

#define DOWN -1

// global variable

dht DHT;

LiquidCrystal lcd(pinRS, pinEN, pinD4, pinD5, pinD6, pinD7);

iarduino_RTC time(RTC_DS1302, pinRST, pinCLK, pinDAT);

int nowPosition = 0;

uint32_t timerUP = 0;

uint32_t timerDOWN = 0;

uint32_t timerNEXT = 0;

void setup() {

lcd.begin(16⁵⁵ , 2); // run lcd

Serial.begin(9600); // set the data transfer rate from the modules to 9600

baud

time.begin(); // run RTC

pinMode(pinUP, INPUT_PULLUP);

pinMode(pinDOWN, INPUT_PULLUP);

pinMode(pinNEXT, INPUT_PULLUP);

}

bool isPressUP(){

if (digitalRead(pinUP) == LOW && millis() - timerUP > 250) {

timerUP = millis();

return true;

}

return false;

}

bool isPressDOWN(){

if (digitalRead(pinDOWN) == LOW && millis() - timerDOWN > 250) {

timerDOWN = millis();

return true;

}

return false;

}

bool isPressNEXT(){

if (digitalRead(pinNEXT) == LOW && millis() - timerNEXT > 250) {

timerNEXT = millis();

return true;

}

return false;

}

void changePosition(int value) {

switch(nowPosition) {

case 0: {

time.gettime();

time.settime(time.seconds, time.minutes, time.Hours,

time.day + value, time.month, time.year);

break;

}

case 1: {

time.gettime();

time.settime(time⁴¹ .seconds, time.minutes, time.Hours,

time.day, time.month⁴¹ + value, time.year);

break;

}

case 2: {

time.gettime();

time.settime(time⁴¹ .seconds, time.minutes, time.Hours,

time.day, time.month, time.year⁴¹ + value);

break;

}

case 3: {

time.gettime();

time.settime(time.seconds, time.minutes, time.Hours + value,

time.day, time.month, time.year);

break;

}

case 4: {

time.gettime();

time.settime(time.seconds, time.minutes + value, time.Hours,

time.day, time.month, time.year⁴¹ );

break;

}

case 5: {

time.gettime();

time.settime(time⁴¹ .seconds + value, time.minutes, time.Hours,

time.day, time.month, time.year⁴¹ );

break;

}

default: {

nowPosition %= 6;

changePosition(value);

}

}

}

void loop() {

if(millis()%1000==0) {

DHT.read11(pinDATA);

int t = (int)DHT.temperature;

int h = (int)DHT.humidity;

// print first row

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print(time.gettime("d.m.y |"));

lcd.setCursor(11,0);

lcd.print⁴⁴ ("H %");

if(h >= 10) {

lcd.setCursor(13,0);

lcd.print⁴⁴ (h);

} else {

lcd.setCursor(14,0);

lcd.print⁴⁴ (h);

}

// print second row

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print(time.gettime("H:i:s |"));

lcd.setCursor(11,1);

lcd.print⁴⁴ ("T C");

if(t >= 10) {

lcd.setCursor(13,1);

lcd.print⁴⁴ (t);

} else {

lcd.setCursor(14,1);

lcd.print(t);

}

}

if(isPressNEXT()) {

nowPosition++;

} else if(isPressUP()) {

changePosition(UP);

} else if(isPressDOWN()) {

changePosition(DOWN);

}

}

Загрузив скомпилированный программный код в память «Arduino

UNO», мы получим рабочие электронные часы с выводом температуры и

влажности с приемлемой точностью работы для повседневного

использования в комнатных условиях с возможностью продолжения счета

времени без подключения к сети питания. Таким образом, поставленная в

начале работы цель была достигнута. Кроме того, электронные часы могут

быть улучшены путём подключения к «LCD-1602A» «I2C-модуля», тем

самым освобождая 4 пина для подключения дополнительных модулей.

Список использованных источников:

1. Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino. — СПб.:

БХВ-Петербург 2014. — 400 с.

2. Электронный ресурс:

http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Maxim/timing/rtc/serial/DS1302.htm

3. Электронный ресурс:

https://www.mouser.com/datasheet/2/758/DHT11-Technical-Data-Sheet-

Translated-Version-1143054.pdf

4. Электронный ресурс: https://voltiq.ru/lcd-1602-and-arduino/

5. Электронный ресурс: https://dip8.ru/articles/chto_takoe_potenciometr/

6. Электронный ресурс: https://alexgyver.ru/lessons/arduino-buttons/

Иллюстрация 1: Результат работы⁴⁰